基于can總線的mos-fe均流控制電路的研究與設(shè)計

基于can總線的mos-fe均流控制電路的研究與設(shè)計

0動態(tài)負(fù)載特性測試系統(tǒng)在開發(fā)電子車輛lcu（logic控制單元）測試系統(tǒng)時，有必要測試帶負(fù)載條件下測試對象的動態(tài)操作性能，即動態(tài)改變負(fù)荷電流，以測試動態(tài)運行性能。這需要電子負(fù)載模塊，可以在線實時動態(tài)改變負(fù)載電流。本文介紹的設(shè)計方案以帶CAN(ControllerAreaNetwork)通信控制器的微控制器LPC2119為主控芯片,以數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC5617A的輸出電壓作為電子負(fù)載中功率MOSFET的控制電壓,通過CAN總線通信,實現(xiàn)了LCU測試系統(tǒng)上位微機對電子負(fù)載模塊負(fù)載電流的動態(tài)控制,達(dá)到了對被測試對象的動態(tài)運行性能進(jìn)行仿真測試的目的。1采樣系統(tǒng)硬件設(shè)計電子負(fù)載模塊在LCU測試系統(tǒng)中的位置及其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括微控制器系統(tǒng)模塊、功率MOSFET負(fù)載單元驅(qū)動與控制模塊、CAN通信模塊、顯示模塊、反饋采樣與比較模塊等。系統(tǒng)硬件設(shè)計了對并聯(lián)功率MOSFET的驅(qū)動電路和對負(fù)載電流的采樣電路,構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。微控制器系統(tǒng)通過CAN總線接收測試系統(tǒng)上位機的命令數(shù)據(jù),解析命令數(shù)據(jù),以解析得到的數(shù)據(jù)為依據(jù),計算功率MOSFET的驅(qū)動電壓,通過驅(qū)動與控制電路輸出驅(qū)動電壓,并通過采樣與比較電路進(jìn)行負(fù)載單元的過載與故障檢測,并顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。2硬件設(shè)計2.1恒流控制器的設(shè)計實時調(diào)整型電子負(fù)載模塊是一個反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng),集成運算放大器的同相輸入端輸入控制電壓,其輸出的變化通過反饋加到其反向輸入端,經(jīng)過反饋回路,使同相輸入端電壓跟隨反向輸入端電壓。為實現(xiàn)高精度調(diào)節(jié),要求作為驅(qū)動器件的集成運放具有高輸入阻抗以減小其對控制電壓的影響,同時具有極低的偏置電流及溫飄以保證不會產(chǎn)生恒流的分流或?qū)⒎至骶S持在極低的狀態(tài),以此來保證恒流的穩(wěn)定性。另外,當(dāng)運放的共模抑制比有限時,閉環(huán)增益的精度將會降低,共模輸入也會對輸出電壓有所影響,所以,在控制電壓從同相端輸入時,應(yīng)該同時考慮差模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比這兩項指標(biāo)?？紤]以上各因素,在恒流驅(qū)動器的設(shè)計中選用了LM224。系統(tǒng)中流過采樣電阻的電流較大,需要消耗較大的功率,通過試驗比較,設(shè)計中選用了高精密、小體積、大功率的散熱式功率電阻。2.2電壓驅(qū)動與采樣比較電路標(biāo)準(zhǔn)工況下功率MOSFET的功耗可用式(1)表示:PD=I2DRDS(1)ΡD=ΙD2RDS(1)式中,ID為通態(tài)時的漏極電流,RDS為25℃時的通態(tài)電阻。設(shè)計中選用功率MOSFET型號為IXFN48N50,根據(jù)公式(1)可以計算出不同的ID所對應(yīng)的功率MOSFET的功耗,通過控制ID來控制其工作在最大功耗范圍內(nèi),以保證正常工作。電壓驅(qū)動與采樣比較電路分別如圖2(a)和圖2(b)所示。由于采用了兩個完全對稱的電路、同一個控制電壓VOUTA、共同的負(fù)載電壓Vload+和同阻值的采樣電阻,這使得兩個MOFET管具有相同的導(dǎo)通程度,并能保持在同樣的動態(tài)平衡狀態(tài)中,即MOSFET管的輸出電流I1,I2相等。圖中R37,R38為取樣電阻,它將每個MOSFET的源極電流轉(zhuǎn)換為電壓,并將此電壓反饋給運算放大器LM224和LM339的反向輸入端以保證LM224的輸出使MOSFET工作在線性區(qū)。放大器LM224的輸入電壓VOUTA作為電流環(huán)的基準(zhǔn)電壓,源極電流與此電壓成正比,即源極電流可用下式表示:I1=I2=ID=VOUTA(VR1+R39)*R37(2)Ι1=Ι2=ΙD=VΟUΤA(VR1+R39)*R37(2)實際應(yīng)用中通過調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓VOUTA來調(diào)節(jié)負(fù)載電流的大小。通過比較器LM339對參考電壓和電流采樣得到的電壓作比較運算,可實現(xiàn)對負(fù)載單元的工作狀態(tài)(如過載或短路等)進(jìn)行監(jiān)測。將DAC的輸出電壓VREF1用作其參考電壓可實現(xiàn)參考電壓的靈活調(diào)節(jié),通過跳線,也可選擇由參考電壓源輸出的具有固定電位的參考電壓VREF2。2.3雙10位模轉(zhuǎn)換電路為實現(xiàn)負(fù)載電流的動態(tài)控制,同時考慮到控制精度的要求,設(shè)計中采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5617A為負(fù)載單元提供控制電壓。其接口電路如圖2(c)所示。TLC5617A是帶有靈活3線串行接口的雙10位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,采用5V單電源供電方式,用含有4個控制位和10個數(shù)據(jù)位的串行16位字符串編程。系統(tǒng)中TLC5617A的DIN,SCLK和CS引腳與LPC2119的3個通過編程配置為輸出狀態(tài)的GPIO引腳相連接,以向TLC5617A寫入控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入時,先獲取10位的DAC數(shù)據(jù),然后將10位DAC數(shù)據(jù)與4個控制位拼接以獲取DAC控制字,然后按照器件的時序要求將16位的控制字通過其數(shù)據(jù)輸入引腳寫入器件,移位順序為最高位最先移入器件。3幀數(shù)據(jù)的特性CAN總線標(biāo)準(zhǔn)采用“基于報文”的通信方式,其主要特點有:(1)實時性強。CAN總線采取非破壞性的逐位仲裁方式,報文標(biāo)志符的二進(jìn)制越小,其優(yōu)先級越高。高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)可在134us內(nèi)得到傳輸。(2)通信方式靈活?？蓪崿F(xiàn)多主工作方式,總線上任意節(jié)點可以將一條報文在任意時刻發(fā)送到系統(tǒng)中任何一個需要此報文的節(jié)點。(3)可靠性高。幀數(shù)據(jù)CRC校驗、錯誤識別與自動重發(fā)保證了傳輸數(shù)據(jù)的正確性與完整性。LPC2119內(nèi)嵌CAN控制器,在其通信接口的電路設(shè)計中,在CAN控制器與收發(fā)器之間應(yīng)采用光耦器件實現(xiàn)總線上各節(jié)點間的電氣隔離,以增強系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。3.1co控制器的初始化初始化工作包括CAN控制器硬件使能、報警界限設(shè)置、波特率設(shè)置、中斷工作方式設(shè)置、驗收濾波器的工作方式設(shè)置、控制器的工作模式設(shè)置等。3.2不同報文標(biāo)志符和遠(yuǎn)程請求位和文獻(xiàn)長度碼構(gòu)成CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序流程如圖3所示。CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式,長度為10個字節(jié),前兩個字節(jié)由報文的標(biāo)志符、遠(yuǎn)程請求位和報文長度碼構(gòu)成。后8個字節(jié)為報文中的命令數(shù)據(jù),系統(tǒng)中約定其第一個字節(jié)數(shù)據(jù)為命令類型,第二個字節(jié)數(shù)據(jù)指明要選擇的負(fù)載單元,第三個字節(jié)和第四個字節(jié)指明負(fù)載單元的電流值數(shù)據(jù),其余字節(jié)為系統(tǒng)保留。4iii嵌入式實時操作系統(tǒng)的設(shè)計軟件設(shè)計中選用了嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件的運行環(huán)境,采取了基于uC/OS_II嵌入式實時操作系統(tǒng)的多任務(wù)運行方式。uC/OS_II屬于可剝奪型微內(nèi)核實時操作系統(tǒng),即最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒,總能得到CPU的控制權(quán),利用這一特性,合理地設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使系統(tǒng)具有較高的實時性能。4.1uc/osiii實理應(yīng)用層軟件主程序如下:voidmain(){InitARMPort();InitCANNetWork();OSInit();CreateAppIPCObject();CreateAppTask();OSStart();}首先初始化微控制器IO端口和內(nèi)嵌的CAN總線控制器。接著調(diào)用OSInit()初始化uC/OS_II操作系統(tǒng)接口;之后調(diào)用CreateAppIPCObject(),在其中調(diào)用uC/OS_II系統(tǒng)函數(shù)OSSemCreate()創(chuàng)建應(yīng)用程序任務(wù)間通信使用的郵箱,信號量,消息隊列;然后調(diào)用CreateAppTask(),在其中調(diào)用uC/OS_II系統(tǒng)函數(shù)OSQCreate()創(chuàng)建應(yīng)用程序任務(wù)。最后調(diào)用OSStart()啟動uC/OS_II的多任務(wù)處理,以讓uC/OS_II管理應(yīng)用程序中的任務(wù)。應(yīng)用層軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。4.2數(shù)據(jù)發(fā)送和顯示輸出控制設(shè)計系統(tǒng)CAN通信由CAN發(fā)送和接收任務(wù)完成。在多任務(wù)環(huán)境下,多個任務(wù)對CAN硬件資源的訪問是隨機的,這種訪問的隨機性勢必會出現(xiàn)兩個或更多任務(wù)對CAN硬件資源的競爭問題。為解決此問題,軟件上使用uC_OS_II的二值信號量來控制對CAN硬件資源的訪問,任務(wù)在需要使用CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時,首先需要申請該信號量,在獲得該信號量后,才可使用資源,否則,任務(wù)被掛起,直至CAN控制器完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作。在CAN發(fā)送完成中斷中,發(fā)出該信號量,此操作將使uC_OS_II進(jìn)行一次任務(wù)調(diào)度,使因等待該信號量而被掛起的最高優(yōu)先級的任務(wù)運行。電壓輸出控制任務(wù)的核心功能是根據(jù)CAN總線收到的電流值數(shù)據(jù)計算MOSFET的控制電壓,并轉(zhuǎn)換為DAC的10位數(shù)據(jù)值,通過控制TLC5617A來輸出MOSFET管的驅(qū)動電壓。過載檢測任務(wù)實時檢測負(fù)載電流,在出現(xiàn)負(fù)載短路或過載時停止控制電壓輸出。顯示輸出控制任務(wù)負(fù)責(zé)完成顯示模塊的輸出顯示工作。顯示的信息包括系統(tǒng)的工作狀態(tài)、負(fù)載電流值、負(fù)載工作狀態(tài)、CAN通信狀態(tài)顯示等。系統(tǒng)管理任務(wù)負(fù)責(zé)完成對系統(tǒng)的運行進(jìn)行管理與診斷,其核心功能包括系統(tǒng)硬件初始化工作、監(jiān)測CAN控制器工作狀態(tài)、在通信故障時重新初始化CAN控制器、監(jiān)